Soluções e Concentrações

Fonte: Laboratório do Dr. Michael Evans — Instituto de Tecnologia da Geórgia

Uma solução é uma mistura homogênea contendo alguns componentes em pequenas quantidades, chamados solutos, e um componente em grande quantidade, chamado solvente. As soluções de líquido sólido contêm um ou mais solutos sólidos dissolvidos em um solvente líquido. As soluções são onipresentes em química: são usadas para armazenar e manusear pequenas quantidades de material, realizar reações químicas e desenvolver materiais com propriedades controláveis.

A densidade de um soluto em uma solução é conhecida como a concentração do soluto. A concentração pode ser expressa de várias formas, diferindo nas unidades utilizadas para transmitir as quantidades de soluto, solvente e solução.

Esta demonstração ilustra como preparar uma solução de sacarose com uma concentração de alvo usando técnicas analíticas precisas. Além disso, várias medidas da concentração dessa solução são apresentadas e explicadas.

Quando imersos em água, muitos sólidos se dividem em partículas (moléculas ou íons) cercadas por moléculas de água. Este processo de dissolução converte uma mistura heterogênea de sólido e líquido em uma única mistura homogênea composta por água líquida e partículas solutos dissolvidas. O processo de dissolução da sacarose pode ser escrito como uma equação química usando os designadores de fase sólido e aquoso. O designador(aq)seguindo uma espécie implica que as moléculas de água estão ao redor e solvando essa espécie.

Diferentes soluções podem conter diferentes números de partículas dissolvidas, e a concentração é uma medida que quantifica a densidade de partículas soluto dentro de uma solução. Uma medida fundamental de concentração é a fração de toupeira (x) do soluto: o número de mols de partículas soluto(n_solute)divididas pelo número total de mols de componentes de solução (todos solutos e solventes).

Multiplicar a fração de toupeira por¹⁰⁶⁶ dá às partes por milhão (ppm) concentração, o número de partículas de soluto por milhão de partículas de solução. O número de mols de soluto por litro de solução, ou molaridade (M), é uma segunda medida comum de concentração.

A concentração também pode ser expressa como partes por massa, a fração da massa da solução devido ao soluto.

Multiplicar as partes por concentração de massa em 100% dá a massa por cento.

Por fim, a molalidade é uma medida de concentração que utiliza a massa do solvente, e não o volume da solução, como medida do "tamanho" da solução. Molalidade é a razão do número de mols de soluto para a massa do solvente em quilogramas.

A preparação precisa e precisa de uma solução com uma molaridade de alvo requer uma técnica analítica cuidadosa. O soluto sólido deve ser cuidadosamente pesado e transferido quantitativamente (completamente) para um frasco volumoso. O solvente pode então ser adicionado cuidadosamente até que a solução atinja a marca no vidro. Para obter melhores resultados, o soluto deve ser autorizado a dissolver-se completamente em menos do que o volume total de solvente, e qualquer solvente restante deve ser adicionado quando nenhum soluto sólido é visível.

1. Preparação de 100 mL de uma solução de sucrose de 0,0100 M

1. Determinar o número de mols e massa de sacarose (C₁₂H₂₂O₁₁) a ser dissolvido em 100 mL de solução.
   
2. Pese a massa de sacarose na balança. Primeiro coloque um barco de pesagem na balança e coloque o "peso tare". Em seguida, usando uma scoopula, transfira cuidadosamente soluto sólido da garrafa de reagente para o barco de pesagem até que a quantidade desejada seja obtida.
3. Coloque um funil em pó em um frasco volumoso de 100 mL limpo e seco. Despeje o sólido do barco de pesagem através do funil no frasco.
4. Usando uma garrafa de lavagem contendo água destilada (o solvente), enxágue qualquer sólido restante do barco de pesagem através do funil no frasco.
5. Adicione solvente usando a torneira de água destilada até que o nível líquido atinja o pescoço do frasco (mas não a marca). Tampa e redemoinho o frasco suavemente para dissolver o soluto.
6. Uma vez que todo o soluto tenha dissolvido, use um frasco de lavagem para adicionar cuidadosamente solvente até que o nível líquido atinja a marca.
7. Cap e inverta o frasco volumoso várias vezes para garantir uma boa mistura da solução.

2. Fazer uma solução de sacarose supersaturada

1. Adicione 100 mL de água destilada a um béquer de 600 mL.
2. Adicione 220 g de sacarose ao béquer.
3. Coloque uma barra de mexida magnética no béquer e deixe a mistura mexer por 15 minutos.
4. Examine a mistura: nem toda a sacarose foi dissolvida. Aqueça a mistura a 50 ºC e mexa por mais 10 minutos.
5. Examine a mistura: toda a sacarose foi dissolvida a 50 ºC.
6. Deixe a solução esfriar até a temperatura ambiente. Examine a solução: a sacarose adicional que dissolvida a 50 ºC permanece dissolvida à temperatura ambiente. A solução à temperatura ambiente é supersaturada.

O procedimento passo 1 cria 100 mL de uma solução de sacarose de 0,0100 M. Para converter em medidas de concentração que não sejam molaridade, determine a massa de água utilizada para preparar a solução. Embora isso possa ser medido com precisão, na ausência de uma medição pode-se supor que o volume de partículas de solute dissolvidos é insignificante (ou seja, o volume de água utilizado foi de 100 mL). Usando a densidade da água...

A molalidade da sacarose nesta solução é assim:

As partes por massa de sacarose são iguais a:

A fração toupeira de sacarose pode ser calculada determinando o número de mols em 100 g de água e dividindo a quantidade de sacarose pela quantidade total de partículas na solução.

O procedimento passo 2 ilustra que a solubilidade da sacarose na água é dependente da temperatura. Após o aquecimento, a sacarose não resolvida descansando em uma solução saturada se dissolve, formando uma solução saturada de maior concentração em temperaturas mais altas. Quando esta solução esfria, a sacarose não precipita fora da solução. A solução resfriada resultante é supersaturada com sacarose. Adicionar até mesmo uma pequena quantidade de pó de sacarose adicional nesta solução pode desencadear uma rápida recristasização de toda a sacarose dissolvida.

Soluções de líquido sólido são onipresentes em química. A maioria das reações químicas são executadas em solução porque solutos dissolvidos são móveis o suficiente para se misturar rapidamente e esbarrar uns nos outros. As soluções também podem ser usadas para armazenar pequenas quantidades de solutos em volumes macroscópicos e de fácil manuseio. As soluções exibem algumas propriedades físicas interessantes chamadas propriedades colligativas que podem ser atribuídas aos efeitos entropicos de dissolver um soluto em um solvente.

Pode-se perguntar por que existem tantas medidas diferentes de concentração de soluções. A resposta está nas muitas aplicações de soluções e nas muitas ordens de magnitude sobre as quais as concentrações se estendem. Em amostras de água do ambiente, por exemplo, as concentrações de íons metálicos podem estar na faixa de algumas partes por milhão — é impraticável e potencialmente enganoso expressar essa pequena concentração como uma molaridade ou fração de toupeira. Embora a molaridade seja uma medida conveniente de concentração para cálculos de estequiometria envolvendo reações químicas, a molalidade é mais apropriada em estudos de certas propriedades colligativas.

Aperfeiçoar a técnica de preparação de soluções é importante, pois em muitos contextos, o conhecimento preciso da concentração é essencial. Ao executar uma reação química, por exemplo, o uso de muito ou muito pouco soluto pode resultar em reagentes desperdiçados ou baixos rendimentos do produto. Estudos de relações empíricas envolvendo concentração, como a lei de Beer, dependem de concentrações precisamente conhecidas. Muitas vezes, a imprecisão nas concentrações de soluções leva diretamente à incerteza em valores calculados, como as inpies de reação. Embora seja impossível eliminar completamente a imprecisão, o uso de técnicas analíticas para a fabricação de soluções garante que a incerteza seja minimizada.